北京嘉銘中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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韓 平， 潘 寧， 諸火生， 孫建超， 王利強(qiáng)
（中國建筑科學(xué)研究院，北京100013）
[摘要] 北京嘉銘中心基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)方法，減小了基礎(chǔ)的差異沉降；上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度解決了核心筒偏置造成的扭轉(zhuǎn)問題；兩座塔樓之間的83m高中庭采用索網(wǎng)幕墻，與主樓滑動(dòng)或鉸接連接。兩座塔樓之間的連橋采用輕型張弦梁結(jié)構(gòu)體系。
[關(guān)鍵詞] 北京嘉銘中心；變剛度調(diào)平；核心筒偏置；多塔；連體結(jié)構(gòu)；弱連接
中圖分類號：TU318 文章編號：1002-848X(2016)07-0014-05
1 工程概況
北京嘉銘中心位于北京市朝陽區(qū)白家莊，東鄰東三環(huán)主路，北側(cè)為白家莊路，南側(cè)為工體南路。本工程規(guī)劃建設(shè)用地面積為12 802m2，總建筑面積為90 504m2。地下4層，連成整體；地上由兩棟21層辦公樓組成，無裙房，建筑高度99. 95m。兩棟塔樓之間為83m高的索網(wǎng)幕墻中庭。該建筑已投入使用5年，建筑實(shí)景照片如圖1所示，建筑剖面圖如圖2所示。
本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，地下水水位達(dá)到歷年最高水位標(biāo)高時(shí)，飽和砂土和粉土不發(fā)生地震液化。
2 結(jié)構(gòu)體系及基礎(chǔ)情況
本工程采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系，地下1層及以上框架和剪力墻的抗震等級為一級，地下2—4層框架及剪力墻分別為二~四級�；A(chǔ)及地下室外墻混凝土強(qiáng)度等級采用C40，墻柱10層及以下選用C60，11~15層選用C50，16層~頂層選用C40，梁板采用C35。
本工程純地下室部分采用天然地基，平板式筏板基礎(chǔ)，在下沉花園位置設(shè)置一定數(shù)量的抗拔樁，主樓基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，后壓漿灌注樁�；A(chǔ)設(shè)計(jì)等級為乙級。
3 基礎(chǔ)變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)
3.1基礎(chǔ)設(shè)計(jì)概述
本項(xiàng)目塔樓部分樓層高、荷載大，地基附加應(yīng)力大，基底沉降大；純地下室部分層數(shù)低，荷載小，基底沉降小。如果采用常規(guī)剛性整體基礎(chǔ)，地基整體沉降特點(diǎn)為中間大、周邊小，基礎(chǔ)底板發(fā)生整體彎曲，基礎(chǔ)內(nèi)力較大。而且，由于上部結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)嵌固于基礎(chǔ)頂面，基礎(chǔ)的整體彎曲會導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力，對上部結(jié)構(gòu)安全造成負(fù)面影響。
為更好地減小基礎(chǔ)底板的差異沉降，本工程采用變剛度調(diào)平理論進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，即在主樓范圍內(nèi)加強(qiáng)核心筒區(qū)域的樁基礎(chǔ)剛度，減少荷載較小區(qū)域的樁基布置。純地下室部分則采用天然地基，對局部下沉花園區(qū)域布置抗拔樁。
3.2場區(qū)工程地質(zhì)情況
主樓樁端持力層為卵石⑦層，端阻力極限標(biāo)準(zhǔn)值為2 000kPa；裙房基礎(chǔ)大部分落在粉質(zhì)黏土④層，承載力特征值200kPa，部分落在④1層、④2層、④3層。
3.3基礎(chǔ)方案計(jì)算分析
本工程基礎(chǔ)總尺寸為90. 6m×91. 9m，地上每個(gè)塔樓的平面尺寸為58. 8m×21. 1m。將基礎(chǔ)中塔樓范圍確定為基礎(chǔ)強(qiáng)化區(qū)域，其他范圍確定為基礎(chǔ)弱化區(qū)域。塔樓下采用鉆孔灌注樁，樁長27m，核心筒范圍布樁較密，外圍框架部分則布樁稀疏，以達(dá)到變剛度調(diào)平的目的。樁端持力層為卵石⑦層，端阻力極限值為2 000kPa。
純地下室區(qū)域則采用天然地基，基礎(chǔ)形式為平板式筏板基礎(chǔ)。下沉花園區(qū)域只有一層，抗浮不滿足，布置抗拔樁。樁基布置如圖3所示。
對基礎(chǔ)進(jìn)行變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)后，基礎(chǔ)沉降如圖4所示。從圖中可以看出，塔樓核心筒范圍基礎(chǔ)沉降約為35mm，塔樓周邊框架部分沉降約為25mm，純地下室周圍基礎(chǔ)沉降約為15mm。
基礎(chǔ)的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)可以大大降低基礎(chǔ)的差異沉降，減小基礎(chǔ)的整體彎曲，從而降低基礎(chǔ)底板的配筋，同時(shí)減少由于基礎(chǔ)變形對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。
4 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本工程地上兩座塔樓結(jié)構(gòu)布置完全相同，旋轉(zhuǎn)對稱。兩座塔樓間為83m高的索網(wǎng)玻璃幕墻中庭。為更好地滿足使用功能，兩座塔樓的核心筒向中心偏移，移至塔樓邊側(cè)，如圖5所示。由于塔樓偏置，導(dǎo)致控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比的困難。
本項(xiàng)目先是按照常規(guī)設(shè)計(jì)思路，盡量調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛心與形心一致，但效果不理想；后來改為采用“抗”的方式，即將核心筒的外側(cè)觀光電梯井位置處框架盡量加強(qiáng)，做成長扁柱和深梁，增加整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，采用該方案后樓層及層間位移比指標(biāo)計(jì)算滿足要求。同時(shí)，加強(qiáng)了觀光電梯與核心筒之間樓板的構(gòu)造配筋，以解決該塊樓板在地震工況下應(yīng)力較大的問題。具體方案對比詳述如下。
4.1多遇地震下靜力計(jì)算
本工程的整體計(jì)算采用SATWE（2005年版），地上兩座塔樓分別獨(dú)立計(jì)算，由于兩座塔樓地上部分結(jié)構(gòu)布置相同，下面僅以一座塔樓的計(jì)算為例進(jìn)行對比分析，觀光電梯框架加強(qiáng)前為方案一，加強(qiáng)后為方案二。加強(qiáng)構(gòu)件位置如圖5所示。兩個(gè)方案的觀光電梯框架截面如表1所示。
采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用，計(jì)算振型數(shù)30個(gè)，兩個(gè)方案的質(zhì)量參與系數(shù)皆大于90%，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011-2010)（簡稱抗震規(guī)范）的要求。
兩個(gè)方案的前3階振型的自振周期如表2所示。從表中可以看出，方案二的第1階扭轉(zhuǎn)周期與第1階平動(dòng)周期的比值更小，地震作用下抵抗扭轉(zhuǎn)的能力更強(qiáng)。
結(jié)構(gòu)加強(qiáng)前后，各塔樓樓層的最大彈性水平位移與該樓層兩端最大彈性水平位移的比值（樓層扭轉(zhuǎn)位移比）如圖6所示。從圖6中可以看出，加強(qiáng)后結(jié)構(gòu)的樓層扭轉(zhuǎn)位移比有所減小。
多遇地震作用下，加強(qiáng)前后結(jié)構(gòu)各樓層的最大層間位移角繪制于圖7。結(jié)構(gòu)最大層間位移角均小于1/800，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)各樓層的樓層剪力繪制于圖8。
由圖可見，方案二與方案一相比，結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移剛度和扭轉(zhuǎn)剛度加大，滿足抗震規(guī)范要求的樓層剪力及層間位移比限制，故最終決定采用方案二。
4.2多遇地震下彈性時(shí)程補(bǔ)充分析
對方案二采用時(shí)程分析法進(jìn)行了多遇地震作用下彈性時(shí)程分析的補(bǔ)充分析。按照抗震規(guī)范的要求分別選取了兩條天然波( Imperial Valley、Chi-Chi)及一條人工波( Art Wave)。所選用地震波反應(yīng)譜與振型分解反應(yīng)譜法所采用反應(yīng)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符。所選地震波的反應(yīng)譜如圖9所示。
經(jīng)彈性時(shí)程分析計(jì)算，得到各地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪力以及采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)基底剪力，列于表3。
從表中可以看出，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法得到的結(jié)構(gòu)底部剪力的65%，三條時(shí)程曲線所得結(jié)構(gòu)剪力的平均值大于振型分解法得到結(jié)構(gòu)底部剪力的80%，所選地震波符合抗震規(guī)范要求。
時(shí)程分析得到各條地震波作用下樓層層間位移角及樓層剪力的分布情況，繪制于圖10、圖11。
5 索網(wǎng)幕墻中庭設(shè)計(jì)
本工程兩座塔樓之間為83m高通透的索網(wǎng)幕墻中庭，對拉索施加預(yù)應(yīng)力，幕墻玻璃以預(yù)應(yīng)力拉索作為支撐。預(yù)應(yīng)力拉索十分纖細(xì)，造型簡潔優(yōu)雅。當(dāng)拉索發(fā)生微小變形時(shí)，由于預(yù)拉力的存在，索網(wǎng)會產(chǎn)生抵抗面外變形的剛度。為此，分析計(jì)算時(shí)采用了索網(wǎng)的幾何剛度矩陣。
索網(wǎng)幕墻中拉索拉力非常大，如果以主體結(jié)構(gòu)作為拉索支承點(diǎn)，混凝土構(gòu)件無法承受拉索反力。因此，在索網(wǎng)幕墻周邊設(shè)置鋼柱，并沿高度方向設(shè)置多道鋼梁，形成幕墻平面內(nèi)的鋼框架。分別沿豎向和水平向設(shè)置拉索，形成索網(wǎng)，豎向拉索的預(yù)應(yīng)力由索網(wǎng)頂面的鋼梁和地面的混凝土梁承擔(dān)，橫向拉索的預(yù)應(yīng)力由鋼柱承擔(dān)，形成自平衡體系。豎向拉索在中間鋼梁處連續(xù)通過不斷開。幕墻立面圖如圖12所示。索網(wǎng)幕墻的自重由鋼框架承擔(dān)，并在首層傳給混凝土柱。
由于索網(wǎng)幕墻高達(dá)83m，鋼框架抗側(cè)剛度小，平面外穩(wěn)定無法保證，需要主體結(jié)構(gòu)為其提供側(cè)向支撐；同時(shí)，又需要保證主體結(jié)構(gòu)的變形不給索網(wǎng)幕墻帶來的不利影響。因此，索網(wǎng)幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接選用一側(cè)鉸接連接、一側(cè)單向滑動(dòng)的連接方式。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖13所示。該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方式既可以釋放幕墻與主體結(jié)構(gòu)間的相對變形，又可以為索網(wǎng)幕墻提供支撐，約束鋼框架的平面外位移。
6 連橋設(shè)計(jì)
本工程分別在第7層、第11層、第15層設(shè)置連橋連通兩座塔樓，連橋位于索網(wǎng)幕墻中庭內(nèi)，建筑師要求連橋要盡量輕巧、美觀。經(jīng)過多方案比選，確定連橋采用類似張弦梁的結(jié)構(gòu)形式，如圖14所示。上弦為兩根截面尺寸為180 ×180×10×8的鋼梁，下弦結(jié)構(gòu)中部為ɸ60的拉索，邊跨時(shí)為兩根ɸ45的拉索，分別與兩側(cè)鋼梁連接。兩根主梁間布置9根次梁，且每根次梁間布置ɸ14的對角桿。撐桿為4組ɸ60 x8的圓桿，三角形布置，如圖15所示。豎桿傳遞到鋼梁處的水平力由與之相連的次梁直接承擔(dān)。同時(shí)，對每組豎桿分別設(shè)置了拉索，用以保證豎桿的穩(wěn)定性。
為避免兩個(gè)塔樓間的相對變形對連橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，連橋與主體的連接為弱連接，一端為滑動(dòng)連接支座，另一端為鉸接連接支座。
7 結(jié)論
(1)本項(xiàng)目的地上塔樓與純地下室部分的基底反力荷載相差甚遠(yuǎn)，若采用整體筏板式基礎(chǔ)，則塔樓部分地基沉降大，塔樓周邊地基沉降小，導(dǎo)致基礎(chǔ)底板整體彎曲，內(nèi)力較大。通過基礎(chǔ)的變剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，減小了地基的沉降差及基礎(chǔ)的整體彎曲，降低了由于基礎(chǔ)變形給上部結(jié)構(gòu)帶來的次應(yīng)力。
(2)對于核心筒偏置的框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，僅通過調(diào)節(jié)樓層剛心與質(zhì)心的方法難以解決樓層位移比超限問題，增加結(jié)構(gòu)抗扭剛度效果顯著。
(3)本工程采用的索網(wǎng)幕墻，構(gòu)件纖細(xì)，達(dá)到了建筑師對中庭通透性的要求。通過合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，保證了索網(wǎng)幕墻鋼框架的穩(wěn)定性，主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)
和地震作用下的變形也不會在索網(wǎng)幕墻中產(chǎn)生不利的構(gòu)件內(nèi)力。
(4)本工程鋼連橋采用張弦梁，構(gòu)件纖細(xì)，質(zhì)量輕，建筑效果良好。鋼連橋與主體結(jié)構(gòu)用弱連接，保證了地震作用下兩座塔樓的自由變形。
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